第六章(1)-地下水?dāng)?shù)值模擬模型應(yīng)用實例xiugai

1、第六章(1)_地下水?dāng)?shù)值模擬模型應(yīng)用實例xiugai第一頁，共61頁。地下水?dāng)?shù)值模擬模型的應(yīng)用實例7.1 區(qū)域地下水流模型及其應(yīng)用-太原盆地地下水?dāng)?shù)值模型7.2 地下水水源地可開采資源量評價宿州市水源地數(shù)值模型7.3 地下水污染預(yù)測研究嘉興垃圾填埋場地下水溶質(zhì)運移模型第1頁，共59頁。第二頁，共61頁。太原盆地地下水?dāng)?shù)值模型7.1第2頁，共59頁。第三頁，共61頁。太原盆地地下水?dāng)?shù)值模型 為解決太原盆地出現(xiàn)的各種環(huán)境問題，1992年，研究工作者們初步解決了太原市和太原盆地巖溶水與孔隙水統(tǒng)一管理的問題，但由于當(dāng)時的勘探目標(biāo)是為農(nóng)田和城市供水，勘探技術(shù)、方法和指導(dǎo)思想相對落后，在勘探過程中缺乏地下

2、水系統(tǒng)指導(dǎo)思想和動態(tài)觀念，大部分勘察項目以行政區(qū)為單元，而不是以盆地地下水系統(tǒng)為單元，導(dǎo)致邊界不好控制、水量重復(fù)計算、忽略了相鄰地區(qū)的影響和邊山地帶裂隙水、巖溶水及地表水-地下水相互作用的調(diào)查；同時由于缺乏現(xiàn)代先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理手段，對于鉆孔數(shù)據(jù)和水土樣分析數(shù)據(jù)、地下水監(jiān)測數(shù)據(jù)等資料開發(fā)、利用程度很低，地下水系統(tǒng)三維空間結(jié)構(gòu)并沒有弄清。第3頁，共59頁。第四頁，共61頁。太原盆地實際鉆孔位置分布圖太原盆地立體圖 太原盆地結(jié)構(gòu)模型第4頁，共59頁。第五頁，共61頁。太原盆地孔隙介質(zhì)三維模型太原盆地孔隙介質(zhì)結(jié)構(gòu)三維可視化模型太原盆地結(jié)構(gòu)模型第5頁，共59頁。第六頁，共61頁。 盆地孔隙介質(zhì)簡化三維模型

3、剖面圖盆地孔隙介質(zhì)簡化三維模型太原盆地結(jié)構(gòu)模型第6頁，共59頁。第七頁，共61頁。模型范圍：周邊界：盆地與基巖山區(qū)接觸帶上界：地表下界：人為邊界300m-350m深。地下水流動特征：邊山巖溶水補(bǔ)給盆地孔隙水；沒有穩(wěn)定隔水層（參考結(jié)構(gòu)圖）盆地內(nèi)部構(gòu)成統(tǒng)一流動系統(tǒng)；地下水混合開采；因此屬于：三維流系統(tǒng)。二、太原盆地數(shù)值模型太原盆地數(shù)值模型研究區(qū)域范圍第7頁，共59頁。第八頁，共61頁。模型類型：三維流模型 構(gòu)建思路： 1、太原盆地地層結(jié)構(gòu)突出，不存在相對穩(wěn)定的隔水層，難以劃分含水層； 2、三維建模將模擬區(qū)分為若干層（有人稱為物理層），各層可以按巖石含水滲透性確定其含水巖組、或隔水巖組分布； 3、邊

4、界的處理問題 底邊界：基巖為不透水邊界；第四系人為邊界為流量邊界，模型識別時確定。 側(cè)邊界：根據(jù)地調(diào)院調(diào)查確定流量，按邊界處滲透系數(shù)和水力梯度確定各模擬層流量。二、太原盆地數(shù)值模型第8頁，共59頁。第九頁，共61頁。數(shù)值模型網(wǎng)格剖分網(wǎng)格剖分 層數(shù)每層平均深度最大深度網(wǎng)格邊長剖分單元數(shù)目1030m300m1400m26000個第9頁，共59頁。第十頁，共61頁。邊界條件及初始條件通過模擬擬合調(diào)試后確定準(zhǔn)確的邊界流量。邊界補(bǔ)給的深度通過鉆孔資料確定。把側(cè)向補(bǔ)給量分配到相應(yīng)的層面上。在模擬的過程中有小部分的流量邊界，利用水均衡原理做了適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)，以便于后期的模擬。1990年1月初始流場第10頁，共5

5、9頁。第十一頁，共61頁。模型參數(shù)有：滲透系數(shù)及儲水系數(shù)（分層（10）降雨入滲系數(shù)（列出公式、巖性） 河流入滲系數(shù)（沿河流分段，巖性、水位與河）灌溉入滲系數(shù)（平面分出）土面蒸發(fā)系數(shù) 參數(shù)分區(qū)及參數(shù)取值第11頁，共59頁。第十二頁，共61頁。滲透系數(shù)太原盆地參數(shù)分區(qū)分區(qū)地 點淺層孔隙潛水給水度（）滲透系數(shù)（m/d）1太原北郊汾河沖積扇0.2102文峪河洪積扇0.14103汾陽孝義沖積、洪積扇裙0.0884龍鳳河洪積扇及沖積平原0.13155瀟河洪積扇0.15136昌源河洪積扇0.12157太原西山傾斜平原0.10108太原、清徐、交城西邊山0.1089汾陽、孝義傾斜平原0.08710太原東山0.

6、08511榆次太谷祁縣傾斜平原0.09812祁縣、平遙、介休傾斜平原0.05513太原南郊汾河、瀟河沖積平原0.11014清徐沖積平原0.11015太谷榆次清徐沖積平原0.08816文水祁縣汾河沖積平原0.08917汾陽孝義沖積平原0.05518平遙沖積平原0.06719陽曲黃土丘陵區(qū)0.023第12頁，共59頁。第十三頁，共61頁。（2）晉陽湖滲漏模數(shù) 按越流公式計算出湖水滲漏量，再除以其面積，則得晉陽湖滲漏模數(shù)。河流入滲（1）汾河入滲系數(shù)第13頁，共59頁。第十四頁，共61頁。 受巖性、水位埋深土壤含水量、灌溉定額的影響。其值可近似用次降雨量入滲補(bǔ)給地下水系數(shù)（次）代替。代替的條件是前十天

7、以上時間無降雨，選取的次降雨量要接近灌溉定額。本區(qū)稻田及菜地較多，灌溉量大，故取次降雨量為70150毫米。灌溉回滲補(bǔ)給地下水系數(shù)巖性不同地下水位埋深下的值12米23米34米46米68米8米細(xì)砂、亞砂土互層0.230.230.210.180.170.16亞砂土0.200.190.170.160.150.14亞砂土、亞粘土互層0.180.160.150.140.130.12亞粘土0.150.130.120.110.100.09灌溉回滲補(bǔ)給地下水系數(shù)（）取值表第14頁，共59頁。第十五頁，共61頁。蒸發(fā)排泄系數(shù) 淺層孔隙水埋深分區(qū)圖，當(dāng)包氣帶巖性為亞砂土、亞粘土互層時，蒸發(fā)極限深度取3.5米；包氣帶

8、巖性為亞砂土?xí)r，取4米；包氣帶巖性為粉細(xì)砂、亞砂土互層時，蒸發(fā)極限深度取4.5米。太原盆地各縣各月蒸發(fā)量資料月份123456789101112太原46.8865.36129.2216.10272.49257.5213.80177.9139.4144.7263.7342.54榆次53.776.3142.4251.9309.6302.5255.1210.5159.7129.276.349.7清徐47.1068.33132.5237.40294.50272.9219.70187.6140.3141.4066.7042.90交城36.762.6115199.5249.1236.5193.4155.51

9、17.293.750.930.6文水39.260.9122212.3240.7240.5218.1170.9131.3108.762.234.8汾陽50.284.6128.6225.6282.2268.6211211.2130.910982.350孝義52.665.7127.2231.7251.9244.6234.7168.6137.6114.278.152.1太谷47.462.1114.5199.4280.5249.3202.7219.4118.795.762.544祁縣47.4464.57126.5202.80245.47241.5204.22165.3149.199.0961.1343.

10、69平遙53.169.2123.7206.0264.9270.3227.4181.4138.3107.875.348.9介休52.968127.4208.8251.7256.5211.8162.2128.1105.171.351.6陽曲41.8361.71130.6240.10327.10305.4228.60176.2140.2114.3762.1539.08平均47.4067.4126.6219.3272.5262.2218.4182.2135.9113.667.744.2第15頁，共59頁。第十六頁，共61頁。模型中：工業(yè)及城市生活用水，采用深井取水。農(nóng)村生活用水均采用淺層面源取水。鄉(xiāng)村

11、地區(qū)的農(nóng)業(yè)用水，按春灌、夏灌、冬澆把取水量分配到整個區(qū)域面積上。人工開采量第16頁，共59頁。第十七頁，共61頁。模型識別校正方法：采用間接法原則及標(biāo)準(zhǔn)：要求觀測孔水位動態(tài)趨勢基本一致地下水流場特征相同 水均衡計算相同對比分析： 觀測孔水位動態(tài)對比結(jié)果流場水位分布對比結(jié)果 水均衡對比結(jié)果第17頁，共59頁。第十八頁，共61頁。太原盆地觀測井的擬合觀測孔分布圖52個觀測孔2003年12月16日計算值與觀測值的比較圖第18頁，共59頁。第十九頁，共61頁。井水位校正對比圖 圖3-5（b）加密網(wǎng)格有限差分法計算井水位的校正 圖3-5（a）初始網(wǎng)格 第19頁，共59頁。第二十頁，共61頁。地下水流場對

12、比2003年12月第3層實測2003年12月第3層計算擬合結(jié)果1：流場趨勢基本一致2：漏斗等重點開采區(qū)能反映實際流場狀況3：在盆地邊緣的山地還有某些區(qū)域水頭有出入利用2003年8月和12月分別在研究區(qū)做過的兩次水位統(tǒng)測.第20頁，共59頁。第二十一頁，共61頁。水均衡分析對比第21頁，共59頁。第二十二頁，共61頁。太原市地面沉降太原市地面沉降范圍為：北緯37403800，東經(jīng)1122511245；北起上蘭鎮(zhèn)、南至西草寨；西起金勝、東至武宿；包括太原市轄區(qū)六個區(qū)（尖草坪區(qū)、萬柏林區(qū)、杏花嶺區(qū)、迎澤區(qū)、晉源區(qū)及小店區(qū)），面積約585km2（圖1- 1）。第22頁，共59頁。第二十三頁，共61頁。

13、第23頁，共59頁。第二十四頁，共61頁。新構(gòu)造運動與地面沉降 圖3-2太原地區(qū)構(gòu)造圖1.活動斷裂2.地壘與凹陷邊界我們依據(jù)1981-2000年晉祠地震基準(zhǔn)臺跨斷層I等短水準(zhǔn)高程實測資料（BM1-BM3水準(zhǔn)點），推算出晉祠大斷裂下降盤累計位移量為21.88mm，平均為1.15mm/a。這與吳家堡沉降中心的96.18mm/a的沉降速率相比，似乎說明該地的構(gòu)造運動與地面沉降關(guān)系不大。 第24頁，共59頁。第二十五頁，共61頁。地下水開采與地面沉降圖3-4不同地點地下水開采量、水位降深與地面沉降對比曲線圖第25頁，共59頁。第二十六頁，共61頁。圖3-3太原市1956-2000年地面沉降等值線與20

14、02年中深層水等水位線關(guān)系圖第26頁，共59頁。第二十七頁，共61頁。開始確定計算區(qū)范圍，剖分網(wǎng)格，確定邊界類型整理輸入基本數(shù)據(jù)：初始水頭，抽水井開采量，降雨量，蒸發(fā)量及河流數(shù)據(jù)等第一次給定參數(shù)的初始估計值劃分調(diào)整各參數(shù)分區(qū)，確定各參數(shù)上下限值確定優(yōu)選參數(shù)數(shù)值模擬求逆問題求目標(biāo)函數(shù)G值，選出參數(shù)值參數(shù)是否合理觀測孔水位和地面沉降量是否擬合好最終確定參數(shù)輸入預(yù)測期有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測結(jié)束是是試估、校正調(diào)整參數(shù)否圖4-1地面沉降求解的計算流程圖第27頁，共59頁。第二十八頁，共61頁。 圖4-6 潛水水平傳導(dǎo)系數(shù)分區(qū)圖（K） 圖4-7 潛水垂直傳導(dǎo)系數(shù)分區(qū)圖（Kz）圖4-8 潛水給水度分區(qū)圖 圖4-9

15、 第一承壓、第二承壓含水層垂直傳導(dǎo)系數(shù)分區(qū)圖（Kz）第28頁，共59頁。第二十九頁，共61頁。圖4-10 第一承壓、第二承壓含水層水平 圖4-11 第一承壓、第二承壓含水層貯水傳導(dǎo)系數(shù)分區(qū)圖圖4-12 第一壓縮層彈性釋水因子圖4-13 第一壓縮層非彈性釋水因子分區(qū)圖第29頁，共59頁。第三十頁，共61頁。圖4-14 第二壓縮層彈性釋水因子 圖4-15 第二壓縮層非彈性釋水因子分區(qū)圖圖4-16 第三壓縮層彈性釋水因子圖4-17 第三壓縮層非彈性釋水因子分區(qū)圖第30頁，共59頁。第三十一頁，共61頁。圖4-18 第四壓縮層彈性釋水因子圖4-19 第四壓縮層非彈性釋水因子分區(qū)圖圖4-20 第五壓縮層

16、彈性釋水因子圖4-21 第五壓縮層非彈性釋水因子分區(qū)圖第31頁，共59頁。第三十二頁，共61頁。圖4-22 第六壓縮層彈性釋水因子圖4-23 第六壓縮層非彈性釋水因子分區(qū)圖圖4-24 第六壓縮層彈性釋水因子圖4-25 第六壓縮層非彈性釋水因子分區(qū)第32頁，共59頁。第三十三頁，共61頁。由于缺少太原市地面沉降分層觀測資料，故本次研究僅對太原市地面沉降的總沉降量進(jìn)行擬合。圖4-35至4-42給出了模型對模擬區(qū)7個長觀孔1981-2000年的凈地面沉降量的擬合結(jié)果，其中，實測數(shù)據(jù)序列由1981、1982、1985、1987、1989、1992、1994、1997、2000年的觀測數(shù)據(jù)內(nèi)插所得。圖4

17、-43)、4-44)給出了模型對模擬區(qū)1981-2000年的凈累積沉降量的擬合結(jié)果。模型對模擬區(qū)地下水位及地面沉降擬合結(jié)果表明：（1）模型建立地下水流場、沉降的總體形態(tài)與實際的基本吻合；（2）計算的開采漏斗、沉降漏斗與實測開采漏斗、沉降漏斗的位置、大小、深度及形態(tài)基本一致；（3）在實測水位點上，計算水位與實測水位接近。這說明，我們所建立的地面沉降模型是可靠的。第33頁，共59頁。第三十四頁，共61頁。圖4-26 S123孔水位動態(tài)擬合結(jié)果圖4-27 449孔水位動態(tài)擬合結(jié)果圖4-28 81122孔水位動態(tài)擬合結(jié)果圖4-29 618孔水位動態(tài)擬合結(jié)果第34頁，共59頁。第三十五頁，共61頁。圖4

18、-33 2000年8月中深層混合水（第一承壓、第二承壓含水層水位）實測等水位線圖圖4-34 2000年8月中深層混合水（第一承壓、第二承壓含水層水位）模擬等水位線圖第35頁，共59頁。第三十六頁，共61頁。圖4-35 13號沉降點的動態(tài)擬合圖4-36 18號沉降點的動態(tài)擬合圖4-37 42號沉降點的動態(tài)擬合圖4-38 61號沉降點的動態(tài)擬合圖4-36 18號沉降點的動態(tài)擬合第36頁，共59頁。第三十七頁，共61頁。圖4-39 63號沉降點的動態(tài)擬合 圖4-40 65號沉降點的動態(tài)擬合圖4-41 67號沉降點的動態(tài)擬合圖4-42 68號沉降點的動態(tài)擬合第37頁，共59頁。第三十八頁，共61頁。圖

19、4-43 1981-2000年累積沉降量實測等值線圖圖4-44 1981-2000年累積沉降量計算等值線圖第38頁，共59頁。第三十九頁，共61頁。圖4-45 第一壓縮層壓縮量等值線圖圖4-46 第二壓縮層壓縮量等值線圖第39頁，共59頁。第四十頁，共61頁。圖4-47 第三壓縮層壓縮量等值線圖圖4-48 第四壓縮層壓縮量等值線圖第40頁，共59頁。第四十一頁，共61頁。圖4-49 第五壓縮層壓縮量等值線圖圖4-50 第六壓縮層壓縮量等值線圖第41頁，共59頁。第四十二頁，共61頁。圖4-51 第七壓縮層壓縮量等值線圖綜上所述，壓縮量最大的層位為第一壓縮層、第二壓縮層和第七壓縮層。西張地區(qū)沉降

20、量最大層位為第三壓縮層，萬柏林、下元地區(qū)壓縮量最大層位為第一、二壓縮層，而吳家堡、小店地區(qū)的主要壓縮產(chǎn)生在第四、五、六、七層。壓縮量的不同不僅與抽水有關(guān)，而且與粘性土性質(zhì)、厚度及其組合密切相關(guān)。西張地區(qū)隔水層幾乎都為粉土，僅有一小部分粘土，含水層厚，隔水層相對較薄，而且隔水層幾乎沒有互層，七個壓縮層中，第三壓縮層最厚，所以，西張沉降量與水位漏斗吻合，且最大壓縮量在第三層。親賢、武宿、北營一帶細(xì)粒土層巨厚，且?guī)缀踹B為一體，中間只夾有小塊含水透鏡體，巖性多為粉質(zhì)粘土、且含礫石，顆粒相對來說較粗，當(dāng)水位下降時，由于巨厚的粘性土連為一體，土體不易排水，所以雖然水位降落漏斗較深，卻沒有形成沉降漏斗。吳家

21、堡一帶，第一、二、三壓縮層巨厚，呈整塊分布，前三個壓縮層幾乎沒有互層，當(dāng)水位下降時，顆粒中的水不易排出，所以沉降量很小，但第四、五、六、七層中粘性土顆粒很細(xì)，粘性土層很厚，且多互層，當(dāng)水位下降時，粘性土很容易排水，且顆粒細(xì)壓縮量較大，所以吳家堡第四、五、六、七層壓縮量很大。 第42頁，共59頁。第四十三頁，共61頁。開采方案預(yù)測評價 通過檢驗分析，模型已經(jīng)能夠比較準(zhǔn)確的反映實際流場，應(yīng)用模型做下列預(yù)測：方案1：在現(xiàn)有的補(bǔ)排條件不變的狀況下2008年水位變化的預(yù)測方案2：根據(jù)引黃入晉工程的實施狀況，對太原市重點開采區(qū)地下水位動態(tài)變化的影響。第43頁，共59頁。第四十四頁，共61頁。(1) 保持現(xiàn)

22、在的開采量，持續(xù)開采到2008年7月份。預(yù)測的太原市重點開采區(qū)的水位等值線圖：保持開采量不變開采到2008年7月份太原市中深層等水位線圖 2004年1月份2008年7月份第44頁，共59頁。第四十五頁，共61頁。太原市每天壓采30萬m3對下水位的影響預(yù)測實現(xiàn)2004年1月壓采30萬米3/天后到2008年7月份太原市中深層水位等值線2004年月1月2008年7月第45頁，共59頁。第四十六頁，共61頁。2008年7月份 縱向過北塢城（過63，57單元）剖面等水頭線圖 2008年7月份 縱向過介休漏斗（過83，21單元）剖面等水頭線圖第46頁，共59頁。第四十七頁，共61頁。7.2 宿州市水源地數(shù)

23、值模擬第47頁，共59頁。第四十八頁，共61頁。宿州市水源地數(shù)值模擬 宿州市位于安徽省最北部，屬淮北平原區(qū)，雨量較少，水資源短缺，多年平均降水量827mm。境內(nèi)降雨具時空分布不均，豐枯交替發(fā)生、年內(nèi)分配不均等特點。 城區(qū)水資源供需矛盾日益突出，水資源開發(fā)利用存在較多問題：一是水污染程度加劇，另一方面由于城市規(guī)模不斷擴(kuò)大用水量猛增。第48頁，共59頁。第四十九頁，共61頁。主要研究內(nèi)容和研究思路 1. 查明研究區(qū)第四紀(jì)地質(zhì)及地下水系統(tǒng)的空間分布與結(jié)構(gòu)，建立宿州市水文地質(zhì)概念模型。2.根據(jù)以上的水文地質(zhì)概念模型選擇合適的數(shù)學(xué)模型，最后用GMS建立地下水流數(shù)值模擬模型。3.對模型進(jìn)行調(diào)參校正，用檢驗

24、模型分析預(yù)測不同開采方案下流場的變化情況。4. 結(jié)合實際情況，擬定有實際意義的開采方案并模擬、驗證，確定合理開采方案。第49頁，共59頁。第五十頁，共61頁。區(qū)域概況 自然地理概況 宿州市位于安徽省最北部，與蘇、魯、豫三省十一個縣市接壤。宿州市自然條件優(yōu)越，地勢平坦，除少量低山殘丘外大部分為沖積、洪積平原。主要河流有新汴河、澮河、沱河、濉河等;多年平均降水量827mm。第50頁，共59頁。第五十一頁，共61頁。區(qū)域地質(zhì)概況 前第四系 研究區(qū)域前第四系地層除缺失震旦系上統(tǒng)，上奧陶統(tǒng)至下石炭統(tǒng)，中生界（除侏羅系上統(tǒng)毛坦廠組）的地層外，自震旦系倪園組至第三系均有發(fā)育。地表出露的地層以下古生界寒武系為

25、主，且基巖出露的面積較小，大部分都為第四系的覆蓋區(qū)。第51頁，共59頁。第五十二頁，共61頁。該區(qū)域內(nèi)第四系地層發(fā)育，厚80100m，北薄南厚。其成因類型主要為沖積，次為沖洪積。 宿州市及鄰近地區(qū)第四系分層簡表界系統(tǒng)地層名稱符號埋深（m）厚度（m）新生界第四系全新統(tǒng)蚌埠組Q403.8003.80上更新統(tǒng)穎上組上段Q3214221222下段Q312434918中更新統(tǒng)臨泉組Q262873054下更新統(tǒng)太和組Q184100830區(qū)域地質(zhì)概況第四系第52頁，共59頁。第五十三頁，共61頁。 查區(qū)第四系自上而下可劃分為三部分，各部分的地層巖性、厚度和韻律變化各具特色，反映了不同時期沉積環(huán)境的差異及水動

26、力條件的不同 。地層結(jié)構(gòu)特征第53頁，共59頁。第五十四頁，共61頁。含水巖組的劃分 根據(jù)地下水貯水介質(zhì)的特征，含水空隙的類型，將本區(qū)含水巖組劃分為四種基本類型：松散巖類孔隙含水巖組、碳酸鹽巖類裂隙巖溶含水巖組、碎屑巖類孔隙裂隙含水巖組、巖漿巖類裂隙含水巖組。 水文地質(zhì)概況第54頁，共59頁。第五十五頁，共61頁。表3-1 含水巖組劃分表含水巖組地層代號含水層巖性分布水力性質(zhì)大類亞類松散巖類孔隙含水巖組第一含水層組Q3粉砂為主，次為粉細(xì)砂、亞砂，局部細(xì)砂和亞砂土除基巖裸露區(qū)外，區(qū)內(nèi)均分布，埋深在1.6033.42m之間潛水微承壓水第二含水層組Q2、Q1細(xì)砂為主，次為中細(xì)砂、粉砂，局部粗砂符離集以南均有分布，埋深多在4384m。承壓水第三含水層組N細(xì)砂、中砂為主，次為粗砂基本上分布在新汴河以南的地區(qū)，埋深一般為110150m之間，最深可達(dá)190m。承壓水碎屑巖類孔隙裂隙含水巖組E、J、K、P砂巖、砂頁巖、鈣質(zhì)礫巖，安山質(zhì)角礫巖、凝灰質(zhì)砂礫巖主要埋藏于宿北斷裂以南的平原地區(qū)，埋深多在2501000m之間。承壓水碳酸鹽巖類裂隙巖溶含水巖組Z、O、C灰?guī)r、白云巖、泥灰?guī)r夾砂頁巖、礫巖、砂巖等以裸露型、隱伏型、埋藏型三種分布。裸